基于社会力模型的拥挤人群状态研究与仿真

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基于社会力模型的拥挤人群状态研究与仿真

作者:李连天

来源:《软件导刊》2013年第08

要:社会力模型能逼真地模拟拥挤人群行人运动,但也存在一些不足,比如人群挤压变形不明显、行人之间存在较大空隙、存在不合理的振荡现象。以社会力模型为基础,考虑到相对速度对行人社会心理力的影响,在社会力模型中引入相对速度对社会心理力进行修正,基本消除了原模型中人与人或人与物接触时的不合理振荡。同时,对挤压力进行修正,修正之后,模型在仿真高密度人群疏散中,行人身体更密切地接触时,行人之间可以部分重叠,更真实地模拟拥挤人群运动中行人之间的挤压现象。改进后的模型可应用于人群拥挤的行为特性研究,也可用于人群拥挤状态的风险评价以及公共建筑环境的规划设计 关键词关键词:拥挤人群;社会力模型;行人运动

中图分类号:TP301 文献标识码:A 文章编号文章编号:167278002013008003604 0 引言

随着现代经济的全球化发展及文化交流的日益频繁,人们参加的社会活动越来越多。聚集在一起的人群本身就具有一定的危险性,特别是在个体情绪都较为激动的场所,极有可能发生拥挤踩踏事故。通过对过去60年间(1945-2005年) 120 起人群拥挤踩踏事故的分析可以看出,近年来人群拥挤踩踏事故迅速增加,仅1995-2005 年就达80起,同时由人群拥挤踩踏事故导致的伤亡人数也呈迅速增长趋势[1]。最典型的案例莫过于沙特麦加朝圣活动,过去17年的麦加朝圣之旅中有7次发生过严重的死伤事件。加上大型的运动会经常举行,人群拥挤踩踏事故更是不可避免,公共安全问题已成为一个城市的生存、发展之基。因此,研究公共场合中人群拥挤机理及群集行为特性,以降低事故风险,是目前公共安全及安全管理等相关学科亟待解决的一个重要问题。

研究影响人群行人的运动因素,建立一个合适的行人运动模型,通过计算机对活动场所的行人运动进行模拟,模拟人群聚集过程中可能出现的状况,预测发生事故的场景,可为公共动场所的建设和人群疏散提供参考,同时对群体活动现场的工作安排具有积极的安全指导意义。

目前,研究人群行人运动模型有很多,但总的来说有两个方面,宏观和微观行人运动建模方法。宏观模型着重从全局的角度来研究人群的特性,关注行人的出行决定以及路径选择行为,而微观模型则更多地关注个体运动过程,包括视野范围确定、速度确定、方向确定、障碍物避让、拥挤压缩等。


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微观行人仿真模型是计算机行人运动仿真模型,模型中把每个行人当作个体对待。微观模型有广泛的应用,它考虑行人流细节的设计。对于行人微观仿真模型,具有代表性的有Prof.OkazakiMatsushita[46]开发的模拟行人运动的磁力场模型、WaRsLovasThompson[78]等专家提出的排队论模型、1987ToffoliMargolus[9]提出的元胞自动机Cellular Automation CA 模型。社会力的概念最早是由Lewin提出的,后来Helbing和其同事一起建立了社会力模型[1012]

社会力模型作为微观行人仿真模型中比较完善的一种,是目前所有的仿真模型中最能体现人群真实运动情况的模型,近年来得到较大发展。由于对影响个体的因素考虑得很全面,对个体行为的建模比较合理,该模型可以很逼真地模拟人群的疏散过程。 1 社会力模型基本原理

社会力模型以牛顿动力学为基础,由各个力的表达式来体现行人不同的动机和影响。Helbing[19]2000年对社会力模型进行了归纳和实现。个体的实际行为受个体的主观意识、个体之间以及障碍物这三方面因素的影响,均可将其等效为力在个体上的作用。即驱动力、人与人之间的作用力和人与障碍物之间的作用力,这些力的合力作用于行人,产生一个加速度,其表达式如式(1)所示。


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